(57)【要約】【課題】窒素の組成の均一性を向上可能な分子線結晶成長装置を提供する。【解決手段】保持部材２１は、窒素源装置１７ａ、１７ｂおよび粒子ビーム源１５ａ、１５ｂを保持する。この保持部材２１の保持によって、窒素源装置１７ａ、１７ｂが窒素源装置１７ａ、１７ｂそれぞれに規定される供給軸Ｎａ、Ｎｂの方向に窒素フラックスＦａ、Ｆｂを提供できると共に、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂが該粒子ビーム源１５ａ、１５ｂそれぞれに規定される供給軸Ｍａ、Ｍｂの方向にそれぞれの原料フラックスＧａ、Ｇｂを提供できる。分子線結晶成長装置１１では、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂのための供給軸Ｍａ、Ｍｂは、基板ホルダ４１の第１の領域４１ａと交差しており、また複数の窒素源装置１７ａ、１７ｂのための供給軸Ｎａ、Ｎｂは、基板ホルダ４１の第１の領域４１ａと異なる第２の領域４１ｂと交差している。【選択図】図１
2006344899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室内に設けられており一又は複数の基板を搭載するための基板ホルダと、
前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための原料を提供するための一又は複数の粒子ビーム源と、
前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための複数の窒素源装置と、
前記複数の窒素源装置それぞれに規定される供給軸の方向に該窒素源装置が窒素フラックスを提供すると共に、前記粒子ビーム源それぞれに規定される供給軸の方向に前記粒子ビーム源がそれぞれの原料フラックスを提供するように、前記複数の窒素源装置および前記粒子ビーム源を保持する保持部材と
を備え、
各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、
前記粒子ビーム源のための前記供給軸は、前記基板ホルダの第１の領域と交差しており、
前記複数の窒素源装置のうちの一部または全ての前記供給軸は、前記基板ホルダの前記第１の領域の周囲に設けられた第２の領域と交差している、ことを特徴とする分子線結晶成長装置。
【請求項２】
前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための追加の窒素源装置をさらに備え、
前記複数の窒素源装置の前記供給軸の全ては、前記基板ホルダの前記第２の領域と交差しており、
前記保持部材は、前記追加の窒素源装置に規定される供給軸の方向に前記追加の窒素源装置が窒素フラックスを提供するように、前記追加の窒素源装置を保持しており、
前記追加の窒素源装置のための前記供給軸は前記基板ホルダの前記第１の領域と交差している、ことを特徴とする請求項１に記載された分子線結晶成長装置。
【請求項３】
窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室内に設けられており一又は複数の基板を搭載するための基板ホルダと、
前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための原料を提供するための一又は複数の粒子ビーム源と、
前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための複数の窒素源装置と、
前記複数の窒素源装置それぞれに規定される供給軸の方向に該窒素源装置が窒素フラックスを提供するように、前記複数の窒素源装置を保持する保持部材と
を備え、
各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、
前記供給軸の各々と前記基板ホルダとの交差点は互いに異なる位置に存在する、ことを特徴とする分子線結晶成長装置。
【請求項４】
前記保持部材は、前記粒子ビーム源および前記窒素源装置それぞれのための複数のセルポートと、前記セルポートに取り付けられており前記窒素源装置の前記供給軸に該窒素源装置を向けるためのアダプタとを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された分子線結晶成長装置。
【請求項５】
窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法であって、
請求項１〜請求項４のいずれかに記載された分子線結晶成長装置の基板ホルダに、第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る主面を有する基板を搭載する工程と、
該分子線結晶成長装置の前記複数の窒素源装置および前記粒子ビーム源からのフラックスを用いて第２のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項６】
窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法であって、
第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る主面を有する基板を基板ホルダ上に搭載する工程と、
複数の窒素源装置を用いて窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程と
を備え、
各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、
前記複数の窒素源装置は、前記基板ホルダの互いに異なる位置に向けられている、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積した後に、前記複数の窒素源装置を用いて窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第３のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程を更に備え、
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成は前記第３のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成と異なる、ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載された方法。
【請求項８】
前記第２のIII−Ｖ化合物半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体またはＧａＮＡｓ半導体の少なくともいずれかである、ことを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子線結晶成長装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体装置の製造方法が記載されている。この方法は、被処理基板をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing)法により加熱する工程と、被処理基板に該被処理基板の構成物質のビームを照射する工程とを同時に行うか、あるいは交互に少なくとも１回ずつ行うことにより、該被処理基板の表面処理を行う。この方法によれば、被処理基板表面の自然酸化膜を除去する際、処理表面に不純物残渣を生じ難くすることができるとともに、処理表面にダメージを入り難くすることができ、しかも不純物拡散を生じ難くすることができる。ビーム照射工程では、被処理基板の表面の垂直方向に３×３の配置で分子線セルを用いて、被処理基板の表面に分子線を均一に照射する。
【特許文献１】特開平６−２９２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するために、分子線ビームエピタキシ（ＭＢＥ）装置を用いることができる。ＭＢＥ装置では、窒素源のために窒素ラジカルガンを用いる。窒素ラジカルガンは、通常の分子線セルに比べて複雑な構造を有する。また、この窒素源からの窒素フラックスは、他の分子線セルからのフラックスに比べて、大きな指向性を示す。この窒素フラックス指向性は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を複数のウエハ上に成長するときだけでなく、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を単一のウエハ上に成長するときにも、成長されたIII−Ｖ化合物半導体の組成の均一性に関係する。求められていることは、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の組成の均一性を向上することである。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、窒素の組成の均一性を向上可能な分子線結晶成長装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面によれば、分子線結晶成長装置は、（ａ）窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室内に設けられており一又は複数の基板を搭載するための基板ホルダと、（ｂ）前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための原料を提供するための一又は複数の粒子ビーム源と、（ｃ）前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための複数の窒素源装置と、（ｄ）前記複数の窒素源装置それぞれに規定される供給軸の方向に該窒素源装置が窒素フラックスを提供すると共に、前記粒子ビーム源それぞれに規定される供給軸の方向に前記粒子ビーム源がそれぞれの原料フラックスを提供するように、前記複数の窒素源装置および前記粒子ビーム源を保持する保持部材とを備え、各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、前記粒子ビーム源のための前記供給軸は、前記基板ホルダの第１の領域と交差しており、前記複数の窒素源装置のうちの一部または全ての前記供給軸は、前記基板ホルダの前記第１の領域の周囲に設けられた第２の領域と交差している。
【０００６】
この分子線結晶成長装置によれば、複数の窒素源装置の供給軸が基板ホルダの第１の領域に周囲に設けられた第２の領域と交差するように該窒素源装置が配置されているので、これらの窒素源装置によって供給される窒素フラックスの合成プロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広い。
【０００７】
本発明に係る分子線結晶成長装置は、前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための追加の窒素源装置をさらに備え、前記複数の窒素源装置の前記供給軸の全ては、前記基板ホルダの前記第２の領域と交差しており、前記保持部材は、前記追加の窒素源装置に規定される供給軸の方向に前記追加の窒素源装置が窒素フラックスを提供するように、前記追加の窒素源装置を保持しており、前記追加の窒素源装置のための前記供給軸は前記基板ホルダの前記第１の領域と交差している。
【０００８】
この分子線結晶成長装置によれば、複数の窒素源装置の供給軸が基板ホルダの第１の領域の周囲に設けられた第２の領域と交差すると共に追加の窒素源装置の供給軸が基板ホルダの第１の領域と交差するように、これらの窒素源装置が配置されているので、これらの窒素源装置によって供給される窒素フラックスの合成プロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広い。
【０００９】
本発明の別の側面によれば、分子線結晶成長装置は、（ａ）窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するための成長室内に設けられており一又は複数の基板を搭載するための基板ホルダと、（ｂ）前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための原料を提供するための一又は複数の粒子ビーム源と、（ｃ）前記III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供するための複数の窒素源装置と、（ｄ）前記複数の窒素源装置それぞれに規定される供給軸の方向に該窒素源装置が窒素フラックスを提供するように、前記複数の窒素源装置を保持する保持部材と
を備え、各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、前記供給軸の各々と前記基板ホルダとの交差点は互いに異なる位置に存在する。
【００１０】
この分子線結晶成長装置によれば、複数の窒素源装置の供給軸が基板ホルダの互いに異なる位置を通過するようにこれらの窒素源装置が配置されているので、これらの窒素源装置によって供給される窒素フラックスの合成プロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広い。
【００１１】
本発明に係る分子線結晶成長装置では、前記保持部材は、前記粒子ビーム源および前記窒素源装置それぞれのための複数のセルポートと、前記セルポートに取り付けられており前記窒素源装置の前記供給軸に該窒素源装置を向けるためのアダプタとを含むことができる。
【００１２】
この分子線結晶成長装置によれば、アダプタを用いて窒素源装置の供給軸を所望の方向に向けづけることができる。
【００１３】
本発明の別の側面は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法である。この方法は、（ａ）上記の分子線結晶成長装置の基板ホルダに、第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る主面を有する基板を搭載する工程と、（ｂ）該分子線結晶成長装置の前記複数の窒素源装置および前記粒子ビーム源からのフラックスを用いて第２のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程とを備える。
【００１４】
この方法によれば、複数の窒素源装置からの窒素フラックスの合成プロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広いので、窒素の組成の均一性を向上できる。
【００１５】
本発明の別の側面は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法である。この方法は、（ａ）第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る主面を有する基板を基板ホルダ上に搭載する工程と、（ｂ）複数の窒素源装置を用いて窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第２のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程とを備え、各窒素源装置は、窒素ラジカルを発生するためのラジカルガンを含んでおり、前記複数の窒素源装置は、前記基板ホルダの互いに異なる位置に向けられている。
【００１６】
この方法によれば、基板ホルダの互いに異なる位置に向けられているので、複数の窒素源装置からの窒素フラックスの合成プロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広いので、窒素の組成の均一性を向上できる。
【００１７】
本発明に係る方法は、（ｃ）前記第２のIII−Ｖ化合物半導体を基板上に堆積した後に、前記複数の窒素源装置を用いて窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、第３のIII−Ｖ化合物半導体を前記基板上に堆積する工程を更に備え、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成は前記第３のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成と異なる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体またはＧａＮＡｓ半導体の少なくともいずれかであることができる。
【００１９】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、窒素の組成の均一性を向上可能な分子線結晶成長装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の分子線結晶成長装置およびIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には同一の部分には同一の符号を付する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る分子線結晶成長装置を概略的に示す図面である。分子線結晶成長装置１１は、成長室１３と、一又は複数の粒子ビーム源１５と、複数の窒素源装置１７（１７ａ、１７ｂ）とを備える。成長室１３は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長するために用いられる。粒子ビーム源１５ａ、１５ｂの各々は、成長室１３に接続されており、III−Ｖ化合物半導体を成長するための構成元素を提供する。窒素源装置１７は、成長室１３に接続されている。図２（Ａ）は、窒素源装置の一例を概略的に示す図面である。窒素源装置１７ａ、１７ｂの各々は、ラジカルガン１９と、ハウジング２３と、シャッタ２５とを含む。ハウジング２３は、分子線結晶成長装置１１の保持部材２１に設けられたセルポート２１ａに接続可能であり、またラジカルガン１９を収容する。ラジカルガン１９は、窒素ラジカルを発生する。シャッタ２５はハウジング２３に支持されている。
【００２３】
この分子線結晶成長装置１１の窒素源装置１７ａ、１７ｂの各々は、ラジカルガンを収容するハウジングを有するので、ハウジングの真空度を成長室の真空度とは独立して変更できる。また、ラジカルガン１９からの粒子フラックスは調整可能である。
【００２４】
窒素源装置１７ａ、１７ｂの各々では、ハウジング２３は、第１の開口２３ａおよび第２の開口２３ｂを有する。第１の開口２３ａは、図１に示されるように、配管２７ａおよびバルブ２７ｂを介して原料ボンベ２９に接続されている。第２の開口２３ｂは、ゲートバルブ３１を介して真空排気装置３３に接続されている。真空排気装置３３は、例えばターボ分子ポンプ３５および粗引きポンプ３７に接続されている。第１の開口２３ａからの原料ガスは、ラジカルガン１９に提供される。ラジカルガン１９は、原料ガスからラジカルを生成する。ハウジング２３内の真空度は、ゲートバルブ３１および真空排気装置３３を用いて調整されることができる。これにより、ハウジング２３内に、原料ガスのプラズマを生成することができる。ハウジング２３は、シャッタ２５に加えて、ゲートバルブ３９が取り付けられている。ゲートバルブ３９は、シャッタ２５とラジカルガン１９との間に位置している。ゲートバルブ３９を閉じると、ハウジング２３内にプラズマの生成と窒素ラジカルの供給とをして変更できる。
【００２５】
図１に示されるように、成長室１３内には、ＧａＡｓウエハといった成長用基板を搭載する基板ホルダ４１が設けられている。成長室１３の内部を真空排気するために、真空排気ポンプ４３がゲートバルブ４５を介して成長室１３に接続されている。粒子ビーム源１５ａ、１５ｂが、分子線結晶成長装置１１の保持部材２１に設けられたセルポート２１ｂに接続可能である。粒子ビーム源１５ａ、１５ｂの各々は、クヌードセンセルを含んでおり、分子線を照射するための照射口を備えており、各照射口は基板ホルダ４１に向けられている。各粒子ビーム源１５ａ、１５ｂの照射口には、シャッタ板４７ａ、４７ｂが設けられている。また、各粒子ビーム源１５ａ、１５ｂは固体原料を加熱するためのヒータが設けられている。各粒子ビーム源内の固体原料をヒータを用いて加熱すると、粒子ビーム源内の原料が蒸発あるいは昇華する。気化された原料のビームが、各粒子ビーム源から照射される。原料としては、例えば、ガリウム、インジウム、アルミニウム等が用いられる。
【００２６】
窒素源装置１７ａ、１７ｂの各々では、ラジカルガン１９には、高周波コイルが設けられている。原料ボンベ２９から気体原料が、ハウジング２３のキャビティに供給され、その気体原料は高周波コイルから放出される高周波エネルギにより励起される。励起された分子線がシャッタ２５から発射される。窒素源装置１７では、ラジカルガン１９、ゲートバルブ３９、およびシャッタ２５が順に配列されている。図２（Ｂ）は、別の窒素源装置を概略的に示す図面である。図２（Ｂ）に示されるように、ラジカルガン１９、シャッタ２５およびゲートバルブ３９が順に配列されていてもよい。窒素源装置は、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるような構造を有するので、Ｎラジカルガンからの粒子ビームの指向性が強い。
【００２７】
図１に示されるように、保持部材２１は、窒素源装置１７ａ、１７ｂおよび粒子ビーム源１５ａ、１５ｂを保持する。この保持部材２１の保持によって、窒素源装置１７ａ、１７ｂが窒素源装置１７ａ、１７ｂそれぞれに規定される供給軸Ｎａ、Ｎｂの方向に窒素フラックスＦａ、Ｆｂを提供することができると共に、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂが該粒子ビーム源１５ａ、１５ｂそれぞれに規定される供給軸Ｍａ、Ｍｂの方向にそれぞれの原料フラックスＧａ、Ｇｂを提供することができる。分子線結晶成長装置１１では、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂのための供給軸Ｍａ、Ｍｂは、基板ホルダ４１の第１の領域４１ａと交差しており、また複数の窒素源装置１７ａ、１７ｂのための供給軸Ｎａ、Ｎｂは、基板ホルダ４１の第１の領域４１ａと異なる第２の領域４１ｂと交差している。一実施例では、第２の領域４１ｂは、第１の領域４１ａの周囲に位置している。
【００２８】
また、分子線結晶成長装置１１では、保持部材２１は窒素源装置１７ａ、１７ｂを保持しており、この保持により、窒素源装置１７ａ、１７ｂからの窒素フラックスＦａ、Ｆｂが基板ホルダ４１と窒素源装置１７ａ、１７ｂの各々との間の位置Ｃｒｏｓｓにおいて交差する。
【００２９】
この分子線結晶成長装置１１によれば、複数の窒素源装置１７ａ、１７ｂの供給軸Ｎａ、Ｎｂが基板ホルダ４１の第２の領域４１ｂと交差するように窒素源装置１７ａ、１７ｂが配置されているので、窒素源装置１７ａ、１７ｂによって供給される合成窒素フラックス（Ｆａ＋Ｆｂ）のプロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスＦａ、Ｆｂのプロファイルの幅よりも広い。
【００３０】
図３（Ａ）は、本実施の形態に係る分子線結晶成長装置１１の改良を備えない分子線結晶成長装置における供給線と基板ホルダを示す図面である。図３（Ｂ）は、本実施の形態に係る分子線結晶成長装置における供給線と基板ホルダを示す図面である。
【００３１】
図３（Ａ）に示されるように、窒素源装置１８ａおよび粒子ビーム源１８ｂ、１８ｃが基板ホルダ４２上の単一の領域に向けて配置されている。そして、窒素源装置１８ａの供給軸Ｌａおよび粒子ビーム源１８ｂ、１８ｃの供給軸Ｌｂ、Ｌｃは、基板ホルダ４２の表面のほぼ一点を通過している。
【００３２】
図３（Ｂ）に示されるように、分子線結晶成長装置１１ａは、保持部材２１によって保持された追加の窒素源装置１７ｃをさらに備え、この結果、窒素源装置１７ａ〜１７ｃを用いて、III−Ｖ化合物半導体を成長するための窒素フラックスを提供する。この保持部材２１の保持によって、窒素源装置１７ｃが窒素源装置１７ｃに規定される供給軸Ｎｃの方向に窒素フラックスＦｃを提供することができる。粒子ビーム源１５ａ、１５ｂ（図３（Ｂ）に示されてはいない）からは、供給線Ｍａ、Ｍｂに沿ってそれぞれ供給される原料フラックスＧａ、Ｇｂが供給される。
【００３３】
また、分子線結晶成長装置１１ａでは、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂ（図３（Ｂ）に示されてはいない）からの原料フラックスＧａ、Ｇｂがそれぞれ供給線Ｍａ、Ｍｂに沿って供給されており、この供給線Ｍａ、Ｍｂは基板ホルダ４２の表面（或いは、基板の表面）付近で交差しているが、窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃからの窒素フラックスＦａ、Ｆｂ、Ｆｃは、基板ホルダ４２と窒素源装置１７ａ〜１７ｃの各々との間のある反応室内において交差していない。
【００３４】
この分子線結晶成長装置１１ａによれば、窒素源装置１７ａ、１７ｂの供給軸Ｎａ、Ｎｂが基板ホルダ４１の第２の領域４１ｂと交差するようにこれらの窒素源装置１７ａ、１７ｂが配置されると共に、窒素源装置１７ｃの供給軸Ｎｃが基板ホルダ４１の第１の領域４１ａと交差するように窒素源装置１７ｃが配置される。これ故に、窒素源装置１７ａ〜１７ｃによって供給される合成窒素フラックス（Ｆａ＋Ｆｂ＋Ｆｃ）のプロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される各窒素フラックスＦａ、Ｆｂ、Ｆｃのプロファイルの幅よりも広い。
【００３５】
また、図３（Ａ）に示されている装置と異なり、図１および図３（Ｂ）に示されている分子線結晶成長装置１１、１１ａでは、窒素源装置（１７ａ及び１７ｂ、或いは１７ａ〜１７ｃ）の供給軸（Ｎａ及びＮｂ或いはＮａ〜Ｎｃ）の各々と基板ホルダ４１との交差点は互いに異なる位置に存在する。
【００３６】
さらに、分子線結晶成長装置１１、１１ａは、窒素源装置（１７ａ及び１７ｂ、或いは１７ａ〜１７ｃ）および基板ホルダ４１は、図１および図３（Ｂ）に示されるように、所定の面に沿って配列されている。例えば、分子線結晶成長装置１１ａでは、基板ホルダ４１は基板を支持するための支持面４１ｃを有している。窒素源装置１７ａのための供給軸Ｎａは支持面４１ｃと交点Ｐ１において交差しており、窒素源装置１７ｂのための供給軸Ｎｂは支持面４１ｃと交点Ｐ２において交差しており、窒素源装置１７ｃのための供給軸Ｎｃは支持面４１ｃと交点Ｐ３において交差している。これらの交点Ｐ１〜Ｐ３は、上記の所定の面と支持面４１ｃとの交線に沿って配列されている。
【００３７】
また、例えば、分子線結晶成長装置１１では、窒素源装置１７ａのための供給軸Ｎａと支持面４１ｃとの交点、窒素源装置１７ｂのための供給軸Ｎｂと支持面４１ｃとの交点、並びに粒子ビーム源１５ａ及び１５ｂのための供給軸Ｍａ及びＭｂと支持面４１ｃとの交点は、図１に示されるように、上記の所定の面と支持面４１ｃとの交線に沿って配列されている。
【００３８】
これ故に、これらの窒素源装置（１７ａ及び１７ｂ、或いは１７ａ〜１７ｃ）によって供給される合成窒素フラックス（Ｆａ＋Ｆｂ或いはＦａ＋Ｆｂ＋Ｆｃ）のプロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される各窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広い。
【００３９】
これらでの説明では、窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃ並びに粒子ビーム源１５ａ及び１５ｂは、保持部材２１のセルポートに直接に取り付けられることができる。
【００４０】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、別の構造の分子線結晶成長装置を示す図面である。分子線結晶成長装置１１ｂ、１１ｃでは、保持部材２１は、粒子ビーム源１５ａ、１５ｂおよび窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃそれぞれのための複数のセルポート２１ａとを含む。窒素源装置１７ａ、１７ｂは、それぞれのセルポート２１ａにアダプタ５１を用いて取り付けられている。このアダプタ５１により、窒素源装置１７ａ、１７ｂは、それぞれのための供給軸Ｎａ、Ｎｂに向けづけられる。分子線結晶成長装置１１ｂ、１１ｃによれば、アダプタ５１を用いて窒素源装置１７ａ、１７ｂを所望の供給軸を調芯できる。
【００４１】
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、アダプタの構造を説明するための図面である。アダプタ５１は、対応するセルポートに当該アダプタ５１を設置するためのフランジ５１ａといった第１の接続部と、対応する窒素源装置１７を当該アダプタ５１に設置するためのフランジ５１ｂといった第２の接続部と、フランジ５１ａとフランジ５１ｂとの接続する側壁５１ｃとを含む。側壁５１ｃは、窒素源装置１７からのフラックスが通過可能な供給路５３を提供しており、例えば管形状を成す。フランジ５１ａは第１の基準面Ｒ１に沿って伸びており、またフランジ５１ｂは第２の基準面Ｒ２に沿って伸びている。第１の基準面Ｒ１と第２の基準面Ｒ２とは交差しており、その角度Ａｎｇｌｅは、セルポートに直接に取り付けられた窒素源装置１７の供給軸と、アダプタ５１を用いてセルポートに取り付けられた窒素源装置１７の供給軸との成す角度に対応する。アダプタ５１を利用することにより、分子線結晶成長装置１１ｂ、１１ｃセルポートの形状を変更することなく、窒素源装置の供給軸の向きを調整することができる。
【００４２】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、別のアダプタの構造を説明するための図面である。アダプタ５５は、対応するセルポートに当該アダプタ５５を設置するためのフランジを有する第１の開口部５５ａと、対応する窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃそれぞれを当該アダプタ５１に設置するためのフランジを有する第２〜４の開口部５５ｂ、５５ｃ、５５ｄと、第１の開口部５５ａと第２〜４の開口部５５ｂ、５５ｃ、５５ｄとの接続すると共に窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃからのフラックスを第１の開口部５５ａに供給するための供給路を形成する側壁５５ｅとを含む。
【００４３】
アダプタ５５によれば、分子線結晶成長装置１１ｂ、１１ｃのセルポートの形状を変更することなく、窒素源装置１７ａ、１７ｂ、１７ｃのための供給軸Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃを角度Ａｎｇｌｅ１、Ａｎｇｌｅ２に設定できる。
【００４４】
図７は、供給軸の調整の角度を説明するための図面である。ＮラジカルガンＮｇｕｎとセルポートＰｏｒｔの開口との間には、ゲートバルブＶが設けられている。
基板ホルダＨｏｌｄｅｒとセルポートＰｏｒｔとの間の距離Ｌ１：１ｍ
基板ホルダＨｏｌｄｅｒのサイズＳ：２２ｃｍ
セルポートＰｏｒｔの開口径Ｄ：１５２ｍｍ
ゲートバルブＶの厚：５ｃｍ
セルポートＰｏｒｔの開口とゲートバルブＶとの間の距離Ｌ２：２０ｃｍ
である。ｔａｎ（Ｔｈ）＝１１／１００は近似的に０．１１（ｒａｄ）＝７度である。したがって、供給軸の傾きは、最大７度である。また、供給軸の傾きは、少なくとも４．５度である。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図８（Ａ）は、レーザダイオードといった半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを示す図面である。図９は、ヘテロ構造を形成する工程を示す図面である。ＧａＡｓウエハといった半導体ウエハ６１上に、バッファ膜６３が設けられている。バッファ膜６３上には、第１導電型のクラッド膜６５が設けられている。クラッド膜６５上に、活性領域６７が設けられている。活性領域６７は、半導体層６７ａ、６７ｂ、６７ｃから成る量子井戸構造を有することができる。活性領域６７上には、第２導電型のクラッド膜６９が設けられている。必要な場合には、メサ構造またはリッジ構造を形成することができる。クラッド膜６９上には、コンタクト膜７１が設けられている。これらの工程により、結晶成長工程が完了する。結晶成長工程が完了した後に、アノード電極およびカソード電極を形成する。一例の半導体レーザの構造は
半導体ウエハ６１：ｎ型ＧａＡｓウエハ
バッファ膜６３：ｎ型ＧａＡｓ
クラッド膜６５：ｎ型ＡｌＧａＡｓ
活性領域６７：ＧａＡｓ光閉じ込め層を含む量子井戸構造
クラッド膜６９：ｐ型ＡｌＧａＡｓ
コンタクト膜７１：ｐ型ＧａＡｓ
である。
【００４６】
図９を参照しながら、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体を成長する方法を説明する。工程Ｓ１０１では、例えば図１に示された分子線結晶成長装置１１の基板ホルダ４１に、第１のIII−Ｖ化合物半導体から成る主面を有する基板Ｗ（例えば、半導体ウエハ６１）を搭載する。工程Ｓ１０２では、分子線結晶成長装置１１の粒子ビーム源を用いて基板Ｗ上にバッファ膜６３を成長する。工程Ｓ１０３では、分子線結晶成長装置１１の粒子ビーム源を用いてバッファ膜６３上にクラッド膜６５を成長する。工程Ｓ１０４では、分子線結晶成長装置１１を用いてクラッド膜６５上に活性領域６７を成長する。この工程では、分子線結晶成長装置１１の窒素源装置１７および／または粒子ビーム源１５からのフラックスを用いて第１のIII−Ｖ化合物半導体をクラッド膜６５上に堆積する。第１のIII−Ｖ化合物半導体をクラッド膜６５上に堆積した後に、分子線結晶成長装置１１の窒素源装置１７および粒子ビーム源１５からのフラックスを用いて第２のIII−Ｖ化合物半導体を堆積する。第２のIII−Ｖ化合物半導体をクラッド膜６５上に堆積した後に、窒素源装置１７を用いて窒素フラックスを供給すると共に粒子ビーム源１５からの原料フラックスを供給して、第３のIII−Ｖ化合物半導体を堆積する。第２のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成は第３のIII−Ｖ化合物半導体の窒素組成と異なる。工程Ｓ１０５では、分子線結晶成長装置１１の粒子ビーム源を用いて活性領域６７上にクラッド膜６９を成長する。工程Ｓ１０６では、分子線結晶成長装置１１の粒子ビーム源を用いてクラッド膜６９上にコンタクト膜７１を成長する。
【００４７】
この方法によれば、窒素源装置１７からの合成窒素フラックスのプロファイルの幅は、単一の窒素源装置によって供給される窒素フラックスのプロファイルの幅よりも広いので、窒素の組成の面内均一性を向上できる。これ故に、半導体レーザの特性を向上することができる。
【００４８】
好適な実施の形態においては、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は井戸層であり、第１および第３のIII−Ｖ化合物半導体層はバリア層またはガイド層である。本発明に係る方法では、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓ半導体またはＧａＮＡｓ半導体の少なくともいずれかであることができる。
【００４９】
図８（Ｂ）に示される活性領域６７の一例の作製を説明する。複数の窒素源装置１７から窒素フラックスを供給すると共にガリウムフラックスおよびヒ素フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体６７ａといった第１のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。次いで、複数の窒素源装置１７から異なる量の窒素フラックスを供給すると共にインジウムフラックス、ガリウムフラックスおよびヒ素フラックスを供給して、ＧａＩｎＮＡｓ半導体６７ｂといった第２のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。成長後に、インジウム源のシャッタを閉じると共に、複数の窒素源装置１７から元の量の窒素フラックスを供給すると共にガリウムフラックスおよびヒ素フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体６７ｃといった第３のIII−Ｖ化合物半導体層を成長する。好適な実施の形態においては、第２のIII−Ｖ化合物半導体層は井戸層であり、第１および第３のIII−Ｖ化合物半導体層はバリア層またはガイド層である。
【００５０】
本実施の形態は上記の例に限定されることなく、図８（Ｃ）に示されるような別の量子井戸構造７３を形成することもできる。この方法は、窒素を含むIII−Ｖ化合物半導体の層を有するヘテロ構造を作製する方法である。この方法は、複数の窒素源装置を介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体７３ａといった第１のIII−Ｖ化合物半導体層を基板上に堆積する。次いで、窒素源装置のシャッタおよびゲートバルブを閉じる。シャッタおよびゲートバルブを閉じた後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体７３ｂを堆積する。複数の窒素源装置１７を介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、ＧａＩｎＮＡｓ半導体７３ｃといった第２のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓ半導体層上に堆積する。この後に、第１のIII−Ｖ化合物半導体層上にＧａＡｓ半導体７３ｄを堆積する。次いで、複数の窒素源装置１７を介して窒素フラックスを供給すると共に他の原料フラックスを供給して、ＧａＮＡｓ半導体７３ｅといった第３のIII−Ｖ化合物半導体層をＧａＡｓ半導体層７３ｄ上に堆積する。これらの工程の後に、ヘテロ構造を有する活性領域７３が形成される。この構造は、ＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓを有する。このヘテロ構造の窒素組成の面内均一性は、良く制御されている。
【００５１】
好適な実施の形態においては、ＧａＡｓ半導体層はバリア層であり、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層の少なくともいずれか一方は井戸層である。この方法では、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体膜を形成するために好適である。しかしながら、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体は、上記の特定の例示に限定されない。例えば、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の一方は、III族元素としてガリウムを含み、Ｖ族元素として窒素および砒素を含むことが好ましい。また、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体の他方は、III族元素としてガリウムおよびインジウムを含み、Ｖ族元素として少なくとも窒素および砒素を含むことが好ましい。
【００５２】
以上説明したように、ＧａＩｎＮＡｓを成長するために窒素ラジカルガンを用いる場合は、窒素ラジカルガン内にプラズマを安定性良く立てるために窒素ラジカルガン内の圧力をある程度以上の値にすることが必要である。これ故に、フラックスの出口形状に制約がある。通常はＰＢＮ製アパーチャを用いると共に、開口部の大きさ等を最適化することによって、必要なフラックス量を得るためのガス流量でプラズマを安定性良く実現している。ラジカルガンのフラックス分布は、ガウス分布で近似できる。ＧａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓをＭＢＥ装置を用いて成長するとき、窒素ラジカルの付着係数が非常に高く、窒素フラックスのプロファイルが、そのままウエハ上における窒素組成の分布に反映される。
【００５３】
通常のラジカルガンの使用法は、図１に示すようにラジカルガン先端部のラジカルが放出される開口部（アパーチャ）はセルポートのフランジよりチャンバ内部に配置される。例えばＧａＡｓ／ＧａＮＡｓ量子井戸構造を成長する場合にはシャッタの開閉で窒素フラックスのオン／オフを行う。しかし、この配置の場合、シャッタの開閉のみでラジカルを完全にオン/オフすることができないので、ＧａＡｓバリア層でも微量に窒素が混入することになる。例えばＧａＮＡｓ層を成長するとき、プラズマをオン／オフすると完全に窒素のバリア層への混入を防げる。しかしながら、プラズマをオンするときには、安定待ちの時間が必要であるので、成長中断せざるを得ない。その場合、成長中断した界面はＡｓ過剰になったり、不純物がパイルアップしたり、非発光再結合中心の増大を招くので成長中断は望ましくない。窒素ラジカルの漏れを防ぐために、ラジカルガンの手前にゲートバルブを設けると、ゲートバルブを閉じることにより、ＧａＡｓ層ではラジカルを完全にオフすることができる。この場合、窒素ラジカルが供給路中を通る距離が長くなり、ただでさえ指向性の強いラジカルがよりコリメートされ、ガウス分布の幅が狭くなり、窒素組成の分布が大きくなる。
【００５４】
ゲートバルブを窒素ラジカルガンの手前にとりつけたＭＢＥ装置において、タンタル製基板ホルダに３インチのウエハを５枚チャージする。成長したエピの構造はＧａＡｓ基板上に０．２μｍのアンドープＧａＡｓバッファ層を成長し、その上に０．５μｍのＧａＮＡｓ層を成長する。さらにＧａＮＡｓ層上に０．１μｍのアンドープＧａＡｓキャップ層を成長する。窒素ラジカルガンの条件は、３００ワットのＲＦパワー、０．２ｓｃｃｍのＮ２流量である。このように、複数枚の大面積ウエハ上に半導体層に高い均一性が要求される場合に、窒素ラジカルの指向性の問題は特に顕著になり、複数枚のウエハ上に同時にＧａＮＡｓを成長した場合のフォトルミネッセンス波長の分布が大きい。
【００５５】
しかしながら、本実施の形態に係る分子線結晶成長装置によれば、窒素の組成の均一性を向上可能になり、また、III−Ｖ化合物半導体を成長する方法によれば、窒素の組成の均一性を向上された半導体膜が提供される。
【００５６】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、例えば、レーザダイオードといった半導体発光素子を説明したけれども、本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る分子線結晶成長装置を概略的に示す図面である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、窒素源装置を概略的に示す図面である。
【図３】図３（Ａ）は、本実施の形態に係る分子線結晶成長装置１１の改良を備えない分子線結晶成長装置における供給線と基板ホルダを示す図面である。図３（Ｂ）は、本実施の形態に係る分子線結晶成長装置における供給線と基板ホルダを示す図面である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、別の構造の分子線結晶成長装置を示す図面である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、アダプタの構造を説明するための図面である。
【図６】６（Ａ）および図６（Ｂ）は、別のアダプタの構造を説明するための図面である。
【図７】図７は、供給軸の調整の角度を説明するための図面である。
【図８】図８（Ａ）は、レーザダイオードといった半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを示す図面である。図８（Ｂ）は、別のエピタキシャルウエハを示す図面である。
【図９】図９は、ヘテロ構造を形成する工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００５８】
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…分子線結晶成長装置、１３…成長室、１５、１５ａ、１５ｂ…粒子ビーム源、１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ…窒素源装置、１８ａ…窒素源装置、１８ｂ、１８ｃ…粒子ビーム源、１９…ラジカルガン、２３…ハウジング、２５…シャッタ、２１…保持部材、２１ａ、２１ｂ…セルポート、２７ａ…配管、２７ｂ…バルブ、３１…ゲートバルブ、３３…真空排気装置、３５…ターボ分子ポンプ、３７…粗引きポンプ、３９…ゲートバルブ、４１…基板ホルダ、４１ａ…第１の領域、４１ｂ…第２の領域、４１ｃ…支持面、４２…基板ホルダ、４３…真空排気ポンプ、４５…ゲートバルブ、５１…アダプタ、５１ａ、５１ｂ…フランジ、５１ｃ…側壁、５３…供給路、５５…アダプタ、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ、５５ｄ…開口部、５５ｅ…側壁、６１…半導体ウエハ、６３…バッファ膜、６５…第１導電型クラッド膜、６７…活性領域、６７ａ、６７ｂ、６７ｃ…量子井戸構造の半導体層、６９…第２導電型クラッド膜、７１…コンタクト膜、７３…量子井戸構造、７３ａ…ＧａＮＡｓ半導体、７３ｂ…ＧａＡｓ半導体、７３ｃ…ＧａＩｎＮＡｓ半導体、７３ｄ…ＧａＡｓ半導体、７３ｅ…ＧａＮＡｓ半導体、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｃ…窒素源装置の供給軸、Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ…窒素フラックス、Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…供給軸、Ｍａ、Ｍｂ…粒子ビーム源の供給線、Ｇａ、Ｇｂ…粒子ビーム源の原料フラックス、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…交点、Ｒ１、Ｒ２…基準面、Ａｎｇｌｅ、Ａｎｇｌｅ１、Ａｎｇｌｅ２…角度  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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